PROFIBUS-DP总线在回转式水泥包装机及辅机电气控制中的应用

近几年来，随着我国水泥行业的迅速发展，水泥产量得到大幅度的提高，回转式水泥包装机以其包装速度快、效率高等优势越来越被更多的厂家所接受，也成为了各水泥设计院包装车间设备的主要选型产品。
随着水泥厂自动化程度的提高，水泥厂对各种设备分散控制集中管理（DCS）的需求越来越高。回转水泥包装机在被大量选用的同时，在电气控制方面也逐渐显露出一些问题。如：虽然包装机能够独立工作，但中控对包装机的工作状况不能作到实时监测；在中控室不能远程直接控制包装机的工作；对包装机及配套辅机也不能进行监控。各水泥设计院在做水泥厂新线设计和老线改造过程中，也充分考虑了这种需求，要求在中控室能够有效的对水泥厂各种设备的运行状况、主要技术数据进行监控。对于回转式水泥包装机及其配套辅机，要求能够接受来自中控室的各种指令，同时将相关信息送回中控室，具体要求如下。
1、回转式包装机在运行的过程中，能够将运行、停止指示信号；包装机的回转速度等信息反馈到中控室。
2、在停车状态下，可以提供回转包装机的备妥信号。
3、在运行过程中如果出现故障，可以向中控提供故障信号。
4、中控在收到备妥信号后，可以远程启动、停止包装机。
5、远程优先模式，中控掌握包装机的控制权，中控可以根据需要在远程和机旁之间切换包装机的控制模式。
6、机旁优先模式，包装机的控制权掌握在机旁，可以通过机旁控制箱在远程和机旁之间切换包装机的控制模式。
7、将中间仓料位信号传到中控室。
8、可以将配套辅机的运行、停止状态信号传到中控室，在中控室也可对配套辅机进行启动、停止等控制操作。
根据水泥厂与设计院的具体要求，我们在包装机及配套辅机的电气控制中采用了PROFIBUS-DP总线，成功解决了上述问题。


一、PROFIBUS-DP总线介绍

PROFIBUS是PROCESS FIELDBUS的缩写，是由SIEMENS等公司组织开发的现场总线技术，先后成为德国和欧洲的现场总线标准，并于2000年成为IEC61158现场总线国际标准之一。我国于2001年正式批准PROFIBUS为机械行业工业控制系统用现场总线国家标准，标准号为JB/T 10308.3-2001。
PROFIBUS-DP是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的PROFIBUS现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

二、系统硬件组成

根据PROFIBUS-DP的特点和水泥厂、设计院的具体要求，在包装现场我们组建了一个PROFIBUS-DP从站，构成如下：一台西门子的S7-200系列PLC（可编程逻辑控制器）CPU224、一台EM223(数字量扩展模块)、一台EM231（模拟量扩展模块）和一台EM231（PROFIBUS-DP扩展从站模块）。在从站中，我们将回转包装机、电振筛、给料机、接包机、清包机、顺包机等各种配套辅机的状态和控制信号接入PLC，由PLC控制对这些设备进行控制和监测。通过EM231模拟量扩展模块，可以将模拟量输入转变为数字量，用于包机转速、中间仓料位等信号。中间仓料位信号是通过荷重传感器和变送器，通过与中间仓内料位的高低成正比的4-20mA电流信号采集中间仓料位；从变频器采集与包装机旋转速度成正比4-20mA电流信号。通过EM277模块用PROFIBUS-DP协议将系统连接到全厂的PROFIBUS-DP总线上，使得包装机及辅机的控制系统成为一个PROFIBUS-DP从站，从而实现中控室对包装车间的协调和控制，达到整厂分布式控制的要求。



三、系统软件部分

从站的硬件组建完成后，需要对PLC进行编程来完成从站的控制与通信功能。为了实现与上位机的通信，PLC在内部V数据区指定读、写两段位存储单元，作为通信专用存储区。PLC将需要上传的信息如：包装机的工作状态、旋转速度、各配套辅机的工作状态写入写数据区，由上位机来读取。上位机将下达的指令如：包装机的启、停，辅机的启、停等写入读数据区供PLC读取，接收指令。
上位机根据变量表分析各变量所代表的内容，使用WINCC、组态王等各种组态工具软件编制用户应用程序，可直观的看到各设备的运行状态。

四、系统工作流程

从站组建完成后，系统对包装现场的回转包装机及配套辅机有两种控制模式：本地控制和远程控制。
当从站处于本地控制模式时，与传统的控制相同，由包装工控制包装机及配套辅机的启、停。PLC扫描全部设备的工作状态，存储到内部指定的存储单元，供中控室的上位机来读取；当从站处于远程控制模式时，中控掌握设备的控制权。在接到现场的备妥信号后，中控可以随时发布启动和停止命令，控制现场的包机和配套辅机的运行。
为了保证包装机的安全运行，防止设备启动时发生事故，当从站工作在远程控制模式下，中控室对包机及配套辅机的启动控制，必须要有从站发出的备妥信号，如果从站尚未发出备妥信号，暂不执行中控的命令，而是当备妥后予以执行。从站的备妥信号是在具备包装机变频器“备妥”和现场工作人员准备好后发出“备妥”信息后才发出的，而且从站在执行中控的远程运行命令前，先发出声光报警并延时一短暂的时间，提醒现场操作人员撤离到安全位置，从而保证了他们的安全。包机及配套辅机启动后，操作人员在现场可以按下“申请停机”按钮申请停机，由中控决定是否响应申请。与本地控制相同，PLC扫描、存储各设备工作状态，和料位、转速等模拟信号，存储到指定数据区等待中控上位机读取。
在包机旁的手动控制箱上设有“急停”按钮，不论设备处于哪种控制方式，按下“急停”按钮，包机和所有的相关辅机停止工作。“急停”取消后，恢复到停止前的工作状态，从而增加了从站应对突发事故的能力和安全系数。

五、应用效果

将PROFIBUS-DP总线技术引入到包装机的控制中后，极大的提高了水泥厂包装车间的自动化程度。由于采用了标准化的协议，所以很容易与水泥厂现有的控制总线实现接口。配合总线上位机内的组态软件程序，在中控室可以直观的看到各种设备的工作状态，也可以通过敲击计算机键盘发布命令或通过鼠标点击软件组态的各种按钮，轻松实现对包装机及配套辅机的各种控制。一旦有设备出现故障，在中控室就能及时发现，降低了设备维护人员的劳动强度，及时维修保障生产的顺利进行。经过在多家水泥厂的现场实际使用，本套系统达到了设计目的，满足了水泥厂和设计院的要求，得到了用户的好评。